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铁翼舞苍穹 科技建奇功——中国飞行试验研究院的创新传奇(二)

学习贯彻十八大·创新驱动发展

科技日报记者 吴颖 史俊斌

飞行表演区,一架橙、红、白三色相间的飞机刚刚完成精彩的飞行表演,在跑道上徐徐滑行……飞机停稳后,试飞员邓友明从容地打开舱门,走下飞机。对着熟悉的涂装,他微微一笑,若有似无地轻轻点了点头,全然老朋友之间心照不宣的默契。

这一幕发生在前不久举行的第九届珠海航展上。对这架飞机,邓友明再熟悉不过,无论说是老朋友,还是拍档都同样恰当。而只要对航空稍有了解或关注的人,对这架飞机大概也不会觉得太陌生——ARJ21-700国产新支线飞机。本届航展上,来自中国飞行试验研究院(即中航工业试飞中心,简称试飞院)的试飞员邓友明,和另外两位同事组成飞行阵容,与同样来自试飞院的工程师和科研人员组成的保障团队一起,全面负责ARJ21-700的飞行表演展示。

“是勇敢者的游戏,更是科技实力的体现”

2011年8月3日下午,随着一架ARJ21-700安全降落在试飞院机场的跑道上,跑道两旁响起一阵欢呼和掌声,很多悬着的心在这一刻终于可以放下——ARJ21-700颤振试飞任务画上了圆满的句号。

颤振是飞行器在空气动力、弹性力和惯性力耦合作用下发生的大幅度振动。飞行器一旦在空中发生颤振现象,结构将受到破坏,很可能会在很短的时间内解体。

颤振试飞是飞机在“亚临界”状态下,试飞员通过激励方法和程序,诱发飞机产生颤振,从而达到检验飞机结构和强度的目的,是每架新机或重大改型飞机必须进行的Ⅰ类风险科目。近年来,试飞院在颤振激励技术领域取得重大突破,使我国成为继美、俄、英、法、以等国后,又一能独立开展大中型飞机颤振试飞的国家。

虽然早在2008年,试飞院就开始着手进行ARJ21颤振试飞的预研工作,但在2011年试飞任务正式开始后,还是经历了各种各样的困难。“首当其冲的是试验机上所有有关传感器的校准。”该任务技术负责人霍幸莉说,这是一项非常复杂繁琐的工作,涉及测试、机务、改装等方方面面,但为不影响工程的任务节点,留给任务组的时间只有15天,几乎是“不可能完成的任务”。

“为加快进度,任务组将任务分解为改装、排故、监控软件研发、通电联试4个分战场,同时推进。”霍幸莉回忆,试飞院测试所当时抽调了所内大部分骨干力量加入攻关,大家放弃了所有休假时间,吃住全在现场,“不分专业、不分你我,团结得就像一个人”。最终,任务组仅用10天就完成全部工作。

5月11日,ARJ21颤振试飞第一架次终于起飞。和地面阶段相比,飞行试验阶段同样是一场艰苦卓绝的战役。颤振试飞对试飞员技术水平有很高要求,试飞员要将飞行马赫数严格控制在±0.005的误差内,手指关节的微小抖动甚至都有可能影响试飞效果。另外,随着飞行速度的增加,飞机的振动会不断加剧,稍有不慎,就有可能造成难以想象的严重后果。

在冲击某马赫数时,驾驶舱振动明显,噪音达到了令常人难以忍受的程度,试飞员甚至无法听清地面指挥员的指令……

就在这样完成一次次“不可能完成的任务”,克服一个个常人难以想象的困难后,8月3日,ARJ21-700颤振试飞战役圆满成功。这标志着我国依靠自身力量,首次完成了民用喷气式支线客机颤振试飞科目。

“很多人觉得试飞好像就是在天上飞的那一会儿,其实更多工夫是在地面上。”ARJ21首席试飞员赵鹏说,“毋庸置疑,试飞是勇敢者的游戏,但它更是科技实力的体现。”

他告诉记者,试飞是在真实大气条件下,对飞机、发动机及机载设备进行探索研究、验证和鉴定。它贯穿于航空产品从论证、设计、制造、鉴定,到使用和维护的全过程。“可以说,试飞基本体现了一个国家航空工业的发展水平。”

突破失速尾旋的“死亡陷阱”

据统计,美英等发达国家新型飞机的试飞周期占到整个研制周期的一半以上,试飞经费也占研制经费的1/4到1/3。原中国航空工业总公司总经理朱育理也曾说:“试飞是航空科研的生命线,是灵魂。与其说飞机是设计、制造出来的,不如说飞机是试飞出来的。”

作为一项庞大的系统工程,试飞大体可分为研究性试飞、调整和鉴定试飞、试用和使用试飞三类,其中,我国的研究性试飞和调整鉴定试飞任务主要都集中在试飞院。进一步细分,试飞又可以分为飞机平台试飞、动力装置试飞、航电系统与机载设备试飞、试飞测试、试验机设计与改装、飞行指挥等不同技术。颤振试飞只是众多飞机试飞技术中的一项。与它一样,失速尾旋试飞同样是一项重要的飞机试飞技术。

“简单来讲,尾旋就是飞机受制于空气动力、旋转惯性和地心引力,机头朝下,快速旋转下落。”试飞院党委书记白长义介绍说,失速尾旋被航空界称为“死亡陷阱”,飞机一旦进入尾旋状态,常常导致机毁人亡。美国和前苏联先后因此损失了上百架飞机和很多优秀的飞行员,我国也一直视其为国产战机的禁区。

然而,为了发挥飞机战力,必须突破失速尾旋试飞技术。多年来,试飞院一直在进行着研究和探索,20世纪90年代初,曾先后派人赴俄罗斯学习,并于90年代末在国内开展三角翼飞机失速尾旋试飞研究。

1999年的一天,空军特级试飞员李存宝和“英雄试飞员”李中华驾驶战机腾空而起。万米高空,李中华操纵驾驶杆、方向舵进入尾旋状态,战机立即像一头被激怒的斗牛,机头上仰、机身剧烈抖动,随后开始螺旋状下落。他觉得自己像骑在疯狂的牛背上,肩上的安全带被绷得吱吱作响,头好几次撞到座舱盖上。“1、2、3……”后舱的李存宝全然顾不上天旋地转,仔细数着旋转圈数,寻找和判断飞机的极限。大地像一张巨大的网,向他们迎面扑来,飞机的噪音和剧烈的抖动已经让人难以忍受。这时候,凭借此前学习积累的经验,两人几乎同时意识到极限到了。在李存宝指挥下,李中华按照预先制定的操纵方案,顺利将飞机改出尾旋,恢复常态,由此突破空中禁区,填补了我国航空失速尾旋试飞领域的技术空白。

进入新世纪,试飞院又成功研制失速尾旋试飞专用应急改出设备——反尾旋伞系统,使我国在飞机大迎角特性试飞领域基本实现了与国际先进水平接轨;在开展国产某型教练机失速尾旋定型试飞技术研究过程中,进入尾旋等过失速模态达40余次,成功发现过失速旋转、“落叶飘”、正飞尾旋和倒飞尾旋4种过失速模态,并推荐了最佳改出方法。

第三代飞机在控制律中设计了迎角限制器和抗尾旋模态,可防止迎角超限,飞机偏离或进入尾旋。因此,三代机大迎角试验的重点是对迎角限制器和抗尾旋模态等大迎角控制律功能的验证。1999—2003年,试飞院开展电传飞机迎角限制器功能验证试飞技术研究,并于2003年在歼-10飞机上进行试飞,充分验证了迎角限制器功能;2006—2009年,开展电传飞机抗尾旋控制律功能验证试飞技术研究,2009年在歼-10上试飞,验证了抗尾旋控制律功能,实现了我国在三代机大迎角特性试飞领域的技术突破,“死亡陷阱”成为了历史。

以颤振试飞和失速尾旋试飞技术为代表,通过多年积累,试飞院已在飞控稳定性和人机闭环特性试飞、参数辨识、载荷谱测量与编制、空中加油等飞机试飞关键技术领域达到国际先进水平。

试飞院坚持自主创新,依靠科技进步,试验技术和试飞方法不断突破,目前已具备开展大型预研、演示验证项目的试飞验证能力,全面掌握了三代机和特种飞机的试飞技术,具备开展新一代战机科研试飞的能力。特别是三代机定型试飞成功,标志着我国试飞技术已跃升至世界先进水平。

“这与A380试飞测试的技术水平相当”

在试飞院副院长郭平凡、陈怦的带领下,记者来到试飞院测试所二层的一间工作室,工作台上一些大大小小的黑色盒子吸引了记者的注意。

“这些都是由试飞院研制的最新型网络化分布式数据采集系统单元化的数据采集器。”看到记者的好奇,郭平凡介绍说,试飞过程中实际飞行参数的测量和采集,是衡量试飞水平的一个重要方面。“对飞机各方面性能,试飞员所能提供的,只是一种主观的判断和感受,并不能为飞机的设计制造和改进提供准确的参考;而飞行参数提供的,是大量客观的数据,具有更为直观和准确的意义。”

试飞院成立之初,试飞测试主要依赖于机电式的航空自记器和光学示波器,每台设备只能测量最多16个参数,参数以曲线形式记录在纸带上,飞行结束后冲洗晾干,人工判读,用计算尺和手摇计算机进行处理,测量效率低、精度差,“每架飞机最多只能记录几十个参数”。20世纪90年代,试飞院为歼-10试飞研制的“华山试飞测试系统”(G/ADAS),是国内第一套大型磁(带)遥(测)视(频)三合一分布式综合测试系统,机载单架测试能力达6000个,地面监控参数达2000个,大大超过国外同类产品性能。

“新型网络化分布式数据采集是目前国际上最先进的试飞测试技术。”陈怦说,为攻克这一技术,试飞院成立了技术攻关团队,自主研制,先后攻克了网络拓扑结构、系统精密时间同步、网络流量平衡与分配、外接设备与采集系统兼容性、网络传输数据丢包等难关,最终在实验室成功建立起网络化分布式数据采集系统。“它的特点一方面是各测试设备之间的数据传输变为局域网传输,简化了机上的数据传输和数据处理;二是将以前机载数据采集系统集中采集的方案改为由多台独立的小型数据采集器组成分布式数据采集系统,可以根据需要,在机上分散安装。”

近日,某重点型号飞机试飞机载网络化分布式数据采集系统,在试飞院顺利完成机上程序加载,每次采集参数达2万个以上。该系统的研究人员自豪地说:“这与国际上最先进的空客A380试飞测试的技术水平大致相当。”该系统的正式投入使用,为我国采用网络数据协议的新型飞机的机载测试储备了技术经验,标志我国试飞行业正式具备网络化机载测试能力。

“空中魔术师”的蓝天之舞

2005年5月20日正午,李中华和某试飞大队试飞员梁剑锋驾驶编号为“IFSTA 203”的我国首架三轴变稳飞机升空。当他们进行第三个状态试飞时,机载变稳系统突然报警,飞机向右侧剧烈偏转,机头向右上方仰起,瞬间进入“倒扣”状态。此时,飞机距离地面仅有400米。

几秒钟后,飞机高度降至200余米,李中华和梁剑锋已经没有跳伞或迫降的可能,而且飞机随时有可能进入尾旋,这时候他们能做的,就是寻找绝处逢生的机会。紧要关头,李中华判断是飞机的电传系统在作祟,他果断切断电传操纵系统电门,仅用7秒,就把飞机迅速改平,顺利化险为夷。事后,梁剑锋在飞行日志中这样写道:“与死神过了一招……”

IFSTA是我国自行研制的具有世界先进水平的首架三轴变稳飞机,除我国外,世界上只有美、英、法、俄4国拥有这种飞机,它身上凝聚着数十年来数万名科研人员的智慧和心血。可以说,两位试飞员是将生命置之度外,抢救了一架价值连城的“国宝级”变稳飞机。

我国变稳飞机的主要研发人员之一、试飞院原副院长周自全介绍说,变稳飞机是一种试验研究机,通过具有变稳功能的电传操纵系统,可大范围改变飞机的动态特性,从而实现模拟各种新型飞机的动态特性。“也就是说,一架飞机即使还在图纸上,只要有数据,就可以试飞,把特性模拟出来,让试飞员在实际飞行中考查和检验飞机的性能。”

“变稳飞机可以按照科研内容、要求,在空中模拟不同状态下的各种飞机状态,进行各种动作和科研试飞项目的模拟飞行。它还可以全程改变飞机的操纵性、稳定性,模仿其他飞机的操纵品质和可能遇到的特殊情况,因此,它也被称为‘空中魔术师’。”周自全说道。

试飞院从上世纪80年代开始启动变稳飞机的研制,于1989年研制成功第一架电传操纵的纵向变稳飞机BW-1。它所采用的数字式全权限电传变稳系统、电液伺服人感系统、数字式目标跟踪显示系统和测控保安系统等均属国内首创。该项目在1991年荣获国家科技进步奖一等奖。

在此基础上,1997年6月,试飞院与其他单位合作,成功研制具有三轴变稳能力的综合空中模拟试验机IFSTA。IFSTA采用全时、全权、数字电传变稳系统,其模型跟随、响应反馈和直接链控制,以及模态转换瞬态抑制技术均达到国际先进水平,于2001年获得国家科技进步奖二等奖。歼-10飞机就是通过IFSTA进行飞行模拟试验研究,并由此创造了国际上三代机试飞一次未摔的纪录!

其实,颤振试飞、失速尾旋试飞,网络化分布式数据采集系统,以及变稳飞机,都只是试飞院所掌握的众多试飞技术和原创性成果中的代表。经过53年的建设和发展,试飞院已成为技术密集、专业配套、科研门类齐全、设备先进、综合性强的大型科研试验研究基地;也是我国唯一承担军民用飞机、航空发动机、机载设备等航空产品国家级军机鉴定和民机适航审定的试飞机构,以及国家商检局认定的飞机适航认可实验室;填补了我国航空试飞史上20多项空白,先后获得国家科技进步奖40余项,为新机定型和飞机改进、改型提供了科学依据,为我国国防现代化建设和航空工业发展作出了重要贡献。

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      2013/2/3 7:05:49

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